Схема вычитания или дифференциальный усилитель
При построении схем на основе ОУ в качестве внешних элементов используются резисторы и конденсаторы. Как видно из таблицы 1, в том случае, когда все импедансы являются резистивными и равными друг другу, результирующая схема является дифференциальным усилителем или схемой вычитания. Работа такой схемы описывается формулой 1:
 
Когда R2 = RF и R1 = RG, формула 1 принимает вид
В тех случаях, когда при разработке схемы требуется подавление синфазной составляющей — т.е. когда V2 =
= V2Signal + VCM иV1 = V1Signal+ + VCM — то условием
для перехода к формуле 2 является очень точное соответствие резисторов. Существуют два типа реализации формулы 2 — на дискретных компонентах и ОУ и на специализированных интегральных схемах (ИС). Наиболее часто встречается решение на базе ОУ, т.к. в продаже существует множество недорогих ИС, содержащих несколько ОУ в одном корпусе, кроме этого, дискретными резисторами легко регулировать усиление. Недостатком такого решения является необходимость точного подбора и согласования резисторов. Например, при использовании резисторов с разбросом в 1% в идеале можно было бы получить схему с коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС) в 40 дБ, но для наихудшего случая распределения разброса резисторов мы получим КОСС всего лишь в 24,17 дБ [2]. В то же время интегральные дифференциальные усилители обеспечивают КОСС на уровне более 100 дБ. Транзисторы входного каскада в таких микросхемах специально подстраиваются для обеспечения максимального согласования и идентичности. Кроме этого, в них используются специальные тонкопленочные резисторы, осажденные на подложке ИС. Несмотря на то, что тонкопленочные резисторы обладают высокой точностью, для
достижения 100 дБ КОСС они проходят дополнительную лазерную подгонку. Ввиду того, что дифференциальные усилители содержат резисторы на входе, их входное сопротивление не является наилучшим. Во многих случаях, например, при тензометри-ческих измерениях, требуется высокий КОСС для подавления синфазных помех, однако мостовые измерители имеют существенное выходное сопротивление, что вызывает сложности при согласовании с низким входным сопротивлением дифференциального усилителя. В таких случаях требуются схемы подавления
синфазных помех с высоким входным сопротивлением.
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Инструментальные усилители совмещают высокий входной импеданс и высокий КОСС, этим обусловлен их выбор во многих инженерных задачах (см. рис. 3). Обратите внимание, что оба входа инструментального усилителя на базе трех ОУ являются неин-вертирующими входами ОУ; в такой конфигурации обеспечивается максимальный входной импеданс, при этом не приходится прибегать к помощи цепей обратной связи. Схема
вычитания образована резисторами R3..R6 и ОУ A3, она обеспечивает высокий КОСС, а операционные усилители A1 и A2 осуществляют буферизацию входов схемы вычитания, обеспечивая высокий входной импеданс. Такая схема способна успешно усиливать сигнал от мостовых датчиков с высоким КОСС и низкой погрешностью. Еще одно полезное свойство инструментальных усилителей — для установки коэффициента усиления используется всего один резистор, что снимает проблему согласования пар резисторов. Недостатком инструментальных усилителей является высокая стоимость, дополнительные задержки сигнала и пониженный диапазон синфазных входных напряжений. Инструментальный усилитель на базе двух ОУ также содержит схему вычитания для обеспечения высокого КОСС (см. рис. 4) и в нем также используются в качестве входов схемы неинвертирующие входы ОУ, что позволяет добиться высокого входного импеданса. Такой инструментальный усилитель имеет более широкий диапазон синфазных входных напряжений благодаря использованию двух ОУ вместо трех, но при этом задержка входных сигналов в нем неодинакова для разных входов. Инвертирующий вход имеет двухступенчатую задержу, а неинвертирющий — только одноступенчатую. Неодинаковость задержек приводит к искажениям, даже на невысоких частотах, причем с повышением частоты искажения растут. Минимальный уровень искажений обеспечивается в рабочей полосе инструментального усилителя.
|
